机械毕业设计（论文）-自动机器人组装机构设计（全套图纸）.doc

本科毕业设计自动机器人组装机构设计院（系、部）名 称 ： 机电工程学院 专 业 名 称： 机械设计制造及其自动化 学 生 姓 名： 学 生 学 号： 指 导 教 师： 2011年 5 月25 日 学 术 声 明本人呈交的学位论文，是在导师的指导下，独立进行研究工作所取得的成果，所有数据、图片资料真实可靠。尽我所知，除文中已经注明引用的内容外，本学位论文的研究成果不包含他人享有著作权的内容。对本论文所涉及的研究工作做出贡献的其他个人和集体，均已在文中以明确的方式标明。本学位论文的知识产权归属于河北科技师范学院。本人签名： 日期： 指导教师签名： 日期： 摘 要摘要本论文在综述近年来机器人技术研究和发展状况的基础上，结合自动组装用机器人的设计，对机器人技术进行了系统的分析，提出了整体结构、执行部件和上料装置的设计方案。本文结合螺钉的形状、装配位置和精度的各方面的要求以及机器人拧紧过程中出现的问题，参考近几年机器人技术研究和发展的状况，在充分发挥机、电、软、硬件各自特点和优势互补的基础上，对装配用拧紧螺钉机器人的整体机械结构、传动系统和驱动装置进行了分析和设计，提出了一套整体结构设计方案和传动方案。采用直角坐标的框架式机械结构形式，这种方式能够提高系统的稳定性和操作灵活性，并对它的三个坐标运动进行了设计；采用自我设计的自动送料装置；最后采用步进电机驱动，导轨和滚珠丝杠传动力和扭矩。通过以上各部分的工作，得出了结构简单、实用化、自动上料的装配用机器人的整体设计方案和执行部件的结构设计，它对其他类型的数控系统的设计也有一定的借鉴价值。关键词： 自动组装 螺钉 机器人 结构设计 全套cad图纸，加153893706abstractin this paper, a robot whole mechanical configuration , execute part and deliver goods is provided based on the research and development of robot in recent years and connected with the design of the automatic assemble screw. with the analysis of the problems in the design of the automatic assemble screw and synthesizing the robot research and development condition in recent years, a economic scheme is concluded on the basis of the analysis of mechanical configuration, transform system, drive device and control system and guided by the idea of the characteristic and complex of mechanical configuration, electronic, software and hardware. in this article, the mechanical configuration combines the character of direction coordinate and the arthrosis coordinate which can improve the stability and operation flexibility of the system. adopt self design send material installation voluntarily. the last, drive force by electrical machinery and transmission force by ball leading screw and guide.according to the analysis of above parts, configuration simple , practicality and the automatic assemble screw is concluded which will be value to other type of robots mechanical design and control system research.keyword: automatic assemble screw robot design of the configurationii目 录目 录1 绪论11.1本课题的提出和研究意义11.2机器人的基本结构及其分类11.3本论文主要研究内容22. 自动组装作业用机器人总体方案设计22.1机器人的任务要求和结构设计22.2传动系统设计32.3驱动系统性能分析与方案设计72.4控制系统方案设计93.传动系统设计103.1滚珠丝杠副的特点103.2设计条件113.3导向精度与轴向间隙的确定123.4丝杠轴的确定123.5螺母的确定133.6定位精度的确定163.7回转扭矩的确定164.导轨的受力分析174.1使用条件184.2滑块作用载荷185.导轨的刚性设计255.1预压的选定255.2考虑预压载荷的寿命25结论29致谢31iii河北科技师范学院2011届本科毕业设计1 绪论 1.1本课题的提出和研究意义在组装体系中，以前的人工操作已经不能满足现代企业高精度、高效率、低成本生产方式的要求1。随着相关学科的发展及各种先进技术的应用，组装机器人的研究与开发越来越受到广泛的重视，组装机器人已经成为先进制造业不可缺少的自动化装备，研究开发的组装用机器人得到了广泛的应用，利用组装用机器人进行工作可以实现典型的组装动作,如抓取,插入和拧紧等动作。一个机器人系统一般由操作机（机械本体）、驱动单元、控制器和为机器人进行作业而连接的外部设备组成。操作机是机器人完成作业的实体，它具有与人手臂相似的动作功能；驱动单元是用来为操作机及各部件提供动力和运动的装置；控制器是对机器人的起动、停止等进行操作的装置，它指挥机器人按规定的要求动作；人工智能系统是智能机器人所具有的，它包括了感觉系统和决策、规划智能系统。装配机器人的机构合理，性能完善，必将加速产品化的进程；改善工人的劳动环境，降低了工人的劳动强度；大大提高了劳动生产率。这将意味着装配工作的生产自动化的开始，开辟了工业机器人应用的新领域。1.2机器人的基本结构及其分类机器人作为典型的机电一体化产品，其控制方式经历了三代发展:第一代是示教再现式可编程机器人，具有记忆、存储功能，能按照作者在示教阶段给出的轨迹重复进行特定的作业过程，但对周围环境基本上没有感知和环境信息反馈控制的能力2。随着传感器技术包括视觉传感器、非视觉传感器(力觉、触觉、接近觉等)以及信息处理技术的发展，出现了第二代机器人具有感觉功能的自适应机器人，在获取作业环境和作业对象的部分有关信息的基础上，能够进行一定的适时处理、按照固定的逻辑发出动作命令。第三代是智能机器人，该种机器人不仅具有第二代机器人更完善的环境感知功能，而且具有逻辑思维、学习、判断和决策功能，可根据作业要求和环境信息自主的进行工作，该机器人目前正处于研制和开发过程中，预计到21世纪初期将进入普及阶段。尽管机器人的外观、形状和功能各异，但它们的主要构成基本上是一致的，从控制观点上讲，机器人系统可分为四部分:人机接口、控制系统、驱动系统和执行机构。按机械结构坐标形式将机器人分为直角坐标型、圆柱坐标型、球坐标型、水平多关节型和关节型等几种。直角坐标型机器人具有结构简单、易于实现高定位精度、空间轨迹易于求解、三个关节的运动相互独立，其间没有耦合，不影响末端手爪的姿态，不产生奇异状态，运动和控制都比较简单，但机体所占空间体积大，动作范围小，操作灵活性差。圆柱坐标型和球坐标型机器人占地面积小，动作范围大，在空间中定位比较直观，但存在移动关节不容易保护的问题。scara型机器人的主要特点是结构简便，响应快，最适用于在垂直方向上完成零件的装配作业。关节型机器人虽然运动学分析比较复杂，控制难度大，但与其他形式的机器人相比较操作灵活性强，因而其应用日益广泛3。1.3本论文主要研究内容随着机器人技术的迅速发展和应用领域的不断深化，不但要求机器人控制可靠性强、使用灵活性高和操作方便性好，还要求降低生产成本，开发经济性强的机器人系统更具有现实意义。结合自动组装作业用机械人的特点和性能，本论文主要研究以下几个方面的问题:(1)自动组装作业用机械人总体方案的确定机器人是典型的机电一体化装置，必须采用系统的观点，立足全局，对机器人各功能模块进行合理划分。首先根据设计要求从理论上分析工作状况，然后提出设计思路，包括传动方式、控制方式等，在综合分析的基础上，整体规划机械手的整体结构形式、驱动装置、传动系统、控制系统，从而选定最优方案。(2)自动组装作业用机器人传动方案确定怎样把驱动的力和扭矩精确地传递给执行部件，是机器人的主要设计方面，本文结合工业要求，采用滚珠丝杠和lm型导轨作为传动元件。(3)上料装置的设计机器人最大的特点是可以实现自动化，提高劳动生产率，降低生产成本，而实现全自动是它的发展方向，参考国内外的自动送料装置并结合本设计的实际情况，通过分析进行创新，设计出能满足该设计要求的专用送料装置。该装置结构简单，性能可靠成本低。2. 自动组装作业用机器人总体方案设计机器人是典型的机电一体化产品，合理分配机械、电子、硬件、软件各部分所承担的任务和功能，对提高系统的整体性能、结构简化、成本降低起着举足轻重的作用4。因此，对拧紧螺钉用装配机器人采用系统的观点进行整体功能分析，可以实现结构优化，是实现经济性、灵活性和高可靠性系统设计的重要环节和关键步骤。2.1机器人的任务要求和结构设计为提高劳动生产率，加快产品的生产速度。要求机器人工作部件取出螺钉然后进行定位拧紧装配，即机器人手部完成定位下降顶出螺钉一旋转一定位拧紧螺钉上升定位这样反复工作过程。机械结构是自动组装拧紧螺钉机器人是最终的执行机构，是机器人赖以实现各种运动的实体，机械结构的布局、类型、传动方式以及驱动系统的设计直接关系着机器人的工作性能。机器人的机械结构按坐标形式主要有直角坐标型、球坐标型、圆柱坐标型、scara型和关节型等。直角坐标型机器人操作臂的优点是结构简单、刚度高，三个关节的运动相互独立，其间没有耦合，不影响末端手爪的姿态，不产生奇异状态，运动和控制都比较简单;缺点是占地面积大，动作范围小，操作灵活性差。球坐标机器人和圆柱坐标机器人占地面积小，工作空间较大，在空间中的定位也比较直观，但是它们的移动关节不容易防护，极坐标型机器人也存在移动关节不易防护的问题，它们多用于一些特殊的作业环境。scara型机器人的主要特点是结构轻便，响应快，最适用于在垂直方向完成零件的装配作业。关节型机器人操作臂的优点是结构紧凑，占地面积小，动作灵活，在作业空间内手臂的干涉最小，工作空间大;缺点是进行控制时计算量比较大，确定末端执行部件的位姿不直观。综上所述，直角坐标型结构简单，而且刚性很好，因而它的应用日益广泛4。针对该自动组装作业用机器人，为了使它具有一定的操作灵活性和较好的使用性能，在结构设计上采用直角坐标型。它的整体布局结构合理，如图2.1。整个机器人系统设计为五个自由度，将运动分解为两部分:移动部分和操作部分。移动部分占两个自由度，包括左右和前后的移动机构 ，这两个自由度之间没有耦合，相互不干扰；操作部分占三个自由度，包括上下运动和两个旋转运动机构。2.2传动系统设计传动装置的作用主要是将驱动元件的动力传递给机器人相应的执行部件，以实现各种预定的运动。目前常用的传动方式有:皮带轮传动、链条传动、齿轮齿条传动、蜗轮蜗杆传动、行星齿轮传动、谐波减速传动以及螺旋传动等。谐波齿轮传动具有体积小、结构紧凑、效率高、能获得大的传动比等优点，但存在扭转刚度较低且传动比不能太小的缺点。行星齿轮传动具有结构紧凑、效率高的优点是用于中等减速比传动，但存在齿轮间隙，难以实现正反转过程中精确位置要求，因此限制了它的广泛应用。蜗轮蜗杆机构常用于要求有大的传动比且传动过程中要求机构自锁的场合，这种方式安全性能高，但同样存在齿侧间隙，而且效率较低。皮带轮传动可以实现过载保护，可是存在弹性滑动，和链传动一样使用一段时间后易松弛，传动运转过程中还产生动载荷，因此，二者常用于传动精度要求不高的场合。滚珠丝杠传动具有传动效率高、摩擦阻力小、运转平稳且能够有效消除传动间隙，无传动“爬行”现象和不自锁等优点，但是价格较高。因此滚珠丝杠螺母被广泛应用于要求较高的数控传动系统中。另外，在数控传动系统中，同步齿形带传动由于其具有稳定的工作性能也得到了广泛的应用。图2.1 总体布局图(1)机器人移动部分传动由于机器人精度要求不是很高，在满足性能的基础上考虑到经济性要求，所以，上下移动机构选用螺旋传动，由一对丝杠螺母螺旋副来承担将电动机的旋转运动转换为机器人的直线移动。此时应充分考虑自锁问题，选择执行机构空手时上升，抓取螺钉后下降，从而可保证移动长度合乎要求时能尽量短。另外，在设计的过程中，为减少悬置部分总的质量，将控制执行部件的电动机安置在立柱上。机械手旋转臂的运动，则选用键和套筒传动，由于其结构紧凑、可以实现大的传动比等优点。直角坐标运动的二维运动，如图2.2。图2.2 x-y运动的传动图(2)机器人执行部分传动考虑到机器人移动部分的操作误差和取螺钉时的准确性，机器人的执行部分由两部分组成，一部分是机构可以上下自由移动，以实现机器人放置螺钉时的位置调整，这部分由滚珠丝杠传动来实现电动机的功能传递；另一部分是机器人的旋转拧紧螺钉的运动，这部分由键连接电动机，带动轴一起旋转，它的扭矩和力的传递由一对联轴器传递。它的结构如图2.3。(3)送料装置的设计本次设计的目的是利用机器人完成自动组装任务，在设计机器人的运动完成后，要考虑物料的送给问题，根据查阅资料，利用自我设计的机构来完成上料。这种装置结构简单，安装方便。如图2.4。图2.3 z轴运动的传动图图2.4 执行部件的位置图2.3驱动系统性能分析与方案设计机器人驱动系统的设计往往要受到作业环境条件的限制，同时还要考虑价格因素的影响以及所能达到的技术水平5。目前机器人的驱动方式主要有液压驱动、气动驱动和电气驱动三种形式6。液压驱动系统能够提供较大的驱动压力和功率，具有结构简单、性能稳定等特点，液压伺服驱动系统响应速度快，可达到较高的定位精度和刚度，但油路系统复杂，工作性能受环境影响较大，移动性能差，且易造成泄漏现象，常用于要求提供较大驱动力矩、对移动性能要求差的特大功率机器人系统中。气动系统具有结构简单、动作迅速，可在恶劣的环境中工作，但气动装置也存在噪声问题，只适用于精度要求不高的点位系统中。电气驱动系统具有精度高、控制准确、响应迅速等优点。综合考虑各种驱动式的优缺点，选用电气驱动方式。电气驱动方式包括普通电机、直流伺服电机、交流伺服电机和步进电机以及力矩电机等驱动方式。伺服电机转子惯量小、动态特性好，由伺服电动机所构成的机器人驱动系统具有运行精度高、调速范围广、速度运行平滑、具有高可靠性并易于控制等优点，交直流伺服电动机己成为机器人驱动系统的主流，直流伺服电动机的电刷易磨损形成电火花，限制了其应用范围。近年来随着交流调速技术的迅速发展，交流电机的驱动系统得到了广泛的应用，但是交流伺服电机必须采用闭环控制方式，这种复杂的控制系统造成控制成本大大提高。随着集成电路技术的发展，伺服系统的价格在大幅度降低，可靠性也得到了提高。步进电动机是一种可以直接将数字脉冲信号转换成机械位移的机电执行元件，具有控制简单、响应速度快、工作可靠、无累计误差等优点。它能够直接接受数字信号，无需中间转换，直接输出的位移量与输入数字脉冲量相对应，能实现直接的数字控制。步进电机以开环方式工作，可省去伺服电机驱动装置中位置检测与反馈部分以及a/d, d/a转换，从而简化了系统结构，使控制成本大大降低。另外，步进电机的抗干扰能力强、无累计定位误差，可重复反转而不损坏，并且步进电机的位置和速度控制简单，具有一定精度，使用与维护都很方便。传统观念认为步进电机的控制性能差、难以实现机器人的空间轨迹控制，因而步进电机很少用于机器人的轨迹控制。考虑到步进电机的输出不是连续量，为了达到某些系统较高的定位精度要求，可以对步进电机驱动系统进行细分控制，也可以采用闭环控制方式获得更高的驱动性能。由于步进电机驱动具有较好的经济性，随着电机制造技术的提高，尤其是步进电机驱动技术的革命性变化，步进电机也己经被广泛应用于数控机床、复印机、打印机以及机器人关节臂的驱动上。平面关节型机器人多采用步进电机直接驱动方式，不但可以节省机械传动装置，而且可以有效的消除机械减速所带来的误差和效率的降低，提高运行的速度和定位精度。开环控制由于不存在噪声干扰问题，工作安全可靠，系统简单，价格低廉，特别是电子、计算机技术的迅速发展和提高，步进电机开环控制精度几乎能达到闭环控制的控制精度。考虑到控制的方便性、可靠性以及系统整体上的经济性，对移动系统和控制手爪转动的电机均采用步进电机构成的开环驱动控制方式。开环控制可以大大简化系统结构，减轻计算机的运算负担，并且可以降低成本和提高可靠性。控制手抓开合的电机则选用一般的交流电机即可7。在步进电机的选型上，考虑到步进电机品种规格较多，仔细分析它们的特点，来恰到好处的选择。步进电机按结构和工作原理可分为反应式、永磁式以及混合式等几种。反应式步进电机:又称可变磁阻型(vr-variableresistance)，多为单极性励磁，结构简单，精度容易保证，步距角小，启动和运行频率较高，但励磁电流较大，电机内部阻尼小，低频时容易产生振荡，断电后无定位转矩。永磁式步进电机(pm-permanent magnet type):步距角大，启动频率较低，但控制功率较小，效率高，造价便宜，内部阻尼大，不易振荡，断电后有定位转矩。与vr相比转矩大，但转子惯性也较大。混合式步进电机(ht-hybrid type):是永磁式和反应式相结合的一种形式。兼有磁阻式步距角小、响应频率高和永磁式励磁功率小、效率高的优点。但是结构复杂，需要正反脉冲供电，成本较高8。根据几种常用电机的性能、特点分析，对该机械手的控制移动部分升降和控制手爪微量旋转的驱动由于其要求既具有较高的控制性能，又具有定位转矩，所以均选用混合式步进电机。步进电机选型时还需要考虑实际工作需要，在初期确定减速比(电机转速/负载转速)之后，通常考虑以下几方面的问题:1、选择步进电机的步距角b，要求bi min ，其中min 为负载轴要求的脉冲当量2、选择步进电机的转矩初步选择步进电机时，可按下式选择步进电机的最大转矩 mt l为折算到电机轴上的总负载转矩，包括负载的阻尼转矩和加速转矩。k一系数 ，一般取23. 53、步进电机运行频率 f为 :f=式中: n一所要求的电机轴的转速;nl一负载轴的转速;b一步距角4、步进电机的矩频特性一般步进电机转矩随运行频率升高而迅速下降，经过改进的步进电机可以在一个很宽的范围内保持转矩在一个很小的幅度内变化。但是必须保证在实际运行工况下，选用的电机可以给出足够转矩。2.4控制系统方案设计计算机系统是整个机器人控制系统核心部分，结构和功能的划分以及设计的合理性直接影响着整个机器人系统功能的实现，计算机控制系统应具有较强的可靠性、较高的运行速度以及较好的性能价格比，在满足工作性能要求基础上体现出较好的经济性要求。(1)硬件平台选择在主控计算机的选用上存在两种解决方案，即采用单片机并自行设计开发各种功能模块构成主控计算机系统和基于工业控制计算机系统(如pc总线工控机或std总线工控机等)并开发必要的专用功能模块接口板(或者利用现成的专用功能模块接口板)。机器人控制部分的主控计算机选用pc工控机与采用单片机构成的廉价控制系统方案相比较，性能差别主要体现在以下几个方面:1、一般情况下，机器人关节间的运动存在级间耦联现象，在关节位置和速度的控制上必须满足适时性控制要求，因此存在大量的数据运算和处理过程，在编程上，体现为大量的浮点运算和程序上占用大量的内存空间。单片机由于可寻址的存储容量范围有限，可能存在不能达到性能要求和编程复杂、开发工作量大等缺点，而pc机在数据运算和处理方面具有明显优势，且开发工作量较小。2、机器人控制系统不仅要求具有高可靠性的硬件支持，而且要求在软件上能实现各种控制功能。单片机可直接利用的现成软件资源较少，而pc系列计算机目前具有丰富的支持软件，使程序设计更加方便灵活而且软件的移植灵活性好，因此基于pc系列计算机进行程序开发可以避免重复性工作，并且具有完备的编程语言和开发环境。3、采用单片机进行一个完整的控制系统开发，虽然目标系统成本较低，但试制阶段的费用并不低廉，更为重要的是在开发硬件系统时工作量大、开发周期长，而且硬件的可靠性和抗干扰性能难以达到较高要求。随着计算机技术的不断进步，pc系列工控机具有较高的可靠性和可维护性能，同时价格在大幅度降低，采用pc工控机进行机器人控制系统的研制和开发，可以有效地缩短开发周期并能降低成本，对经济型机器人控制系统是一个优选的硬件解决方案9。在机器人控制方式上，目前主要有集中式控制、主从式控制和分级控制三种方式。对于多关节机器人，每个关节对应一个处理器，将机器人控制中计算量最大的动力学方程按关节进行分解，作为各个子算法分布在各关节处理器上同时进行计算，然后输出到主控制器中，这种采用模块化结构、主从方式组成分布式多处理系统，是多关节机器人控制系统发展的方向，目前应用最为广泛的是两级或两级以上计算机构成的分布式控制方式。集中式系统是最典型、结构最简单的控制系统，它将所有的信息输入、处理、控制均集中在一台计算机上，因而对该计算机的性能要求较高，而分布式系统则降低了对计算机性能的要求，且系统可扩充性能好，易于维护，但故障率比集中式控制方式高得多。随着计算机技术的迅速发展和存储技术的日新月异，许多微型机在速度和性能上己经接近甚至超过小型机，并且在价格上大幅度降低，可靠性增强，使用和维护更加方便。同时，随着各种技术支持软件的丰富，使编程方便易行、软件的可移植性高，因而采用高性能价格比的微型计算机进行经济型机器人的集中式控制己成为可能。在微型机领域，ibm-pc机在结构、性能、价格特别是软件技术支持方面都有很多优点，使它在工业控制系统中得到广泛的应用。因此，该机械手控制系统采用集中控制方式，利用工bm-pc586作为控制计算机，另外加一块pcl-839接口卡作为步进电机驱动器运动控制用接口卡，这样既增加了硬件的可靠性，又缩短了开发周期10。(2)软件系统 硬件系统是控制功能赖以实现的物质基础，软件则是计算机系统协调各部件完成控制功能的神经中枢。软件功能的划分与结构上的实现在计算机控制系统中具有极其重要的作用。软件设计的目标是依据需要完成整体功能以最优的方式把软件各部分内容有机组织起来，使整个系统具有较高的运行效率、可靠性、灵活性和操作实用性。该机械手软件系统主要承担的功能包括:运动学运算、路径规划、参数输入、人机接口控制以及故障报警和处理系统，在功能的实现上应使系统具有较好的人机界面和灵活的操作控制功能11。3.传动系统设计3.1滚珠丝杠副的特点一、滚珠丝杠与滑动丝杠副相比驱动扭矩为1/3。由于滚珠丝杠副的丝杠轴与丝母之间有滚珠杂做滚动运动，所以能得到较高的运动效率，与过去的滑动丝杠副相比，驱动扭矩达到1/3以下。因此，不仅能把回转运动转变为直线运动，也能容易地将直线运动转变为回转运动。图3.1滚珠丝杠示意图二、高精度的保证。滚珠丝杠副是在严格进行温度管理的工厂内，用最高水平的机械设备进行研削，直到装配、检查，均在完善的品质管理体制下进行，因而确保了精度。三、微进给可能滚珠丝杠副由于是利用滚珠运动，所以起动扭矩极小，不会出现滑动运动那样的爬行现象，能保证实现精确的微进给。四、无侧隙、刚性高滚珠丝杠副可以加予压，由于预压可使轴向间隙达到负值，进而得到较高的刚性。它由于运动效率高、发热小，所以可实现高速进给。3.2设计条件滚珠丝杠行程长 ls=1200mm 最大速度 vmax=250m/s加速时间 t1=0.05s 减速时间 t3=0.15s每分钟往复次数 n=8 回复间隙 0.15mm位置决定精度 0.015mm/1000mm 操作位置决定精度 0.001mm最小进给量 s=0.02.mm/脉冲 驱动电机额定回转数 3000r/pm电机惯性力 jm=110-3kg/m2 减速机构 a=1导向面摩擦系数 =0.01 导向面无载荷时摩擦力f=15n3.3导向精度与轴向间隙的确定一、导向精度的确定：滚珠丝杠副的导程精度按jis规格进行管理。为了满足位置决定精度0.015mm/1000mm：0.015 /1000=0.045/3000 。所以必须选择0.045mm/3000mm以内的导向精度。根据滚珠丝杠的精度等级，选定c7等级，即积累导向误差为0.045mm/3000mm。精度等级c7的轧制滚珠丝杠与精度滚珠丝杠，选择价格较低的轧制滚珠丝杠来使用12。二、轴向间隙的确定为了满足回复间隙为0.15mm的要求，因此选择轴向间隙必须低于0.15mm。根据满足轧制滚珠丝杠的轴向间隙要小于0.15mm，所以选择轴径低于36mm,精度等级为c7的轧制滚珠丝杠。3.4丝杠轴的确定一、丝杠轴的选择根据工作任务，以及滚珠丝杠的精度等级要求，选择轴径d=36,导程l=8，全长为1500的滚珠丝杠。二、丝杠轴支撑方法的选择因为滚珠丝杠的行程长1200mm,最大速度为250mm/s，所以丝杠轴的支撑方法有固定固定型和固定支撑型，但是，固定固定型的构造比较复杂，而且部件精度和组装精度的要求非常高，所以丝杠轴径的支撑方法选择：固定支撑型。三、容许轴向载荷的确定搬送质量 m=3200kg 工作面的摩擦系数 =0.01工作面无负载时阻力 f=15n 最高速度 vmax=250m/s 加速时间 t1=0.05s加速度 a= vmax/ t1=250 10-3/0.05=5m/s2进程加速时： fa1= mgfma=0.0132009.8+15+32005=16328.6n.进程等速时的轴向负载：fa2= mgf=0.0132009.8+15=328.6n进程减速时的轴向负载：fa3=mg f-ma=0.0132009.8+15-32005=-15671.4n.返程减速时的轴向负载：fa4=mgfma= 16328.6n.返程等速时的轴向负载：fa5=mgf= 328.6n返程减速时的轴向负载：fa6=mgfma = 15671.4n.因此滚珠丝杠上作用的最大轴向载荷为16328.6n丝杠轴的弯曲载荷： m导程d1丝杠轴外径ls丝杠长度丝杠轴的许用拉压载荷 : 丝杠轴的弯曲载荷与许用拉压载荷在使用上都能满足要求。3.5螺母的确定3.5.1滚珠丝杠螺母型号的选择经查表并计算后选择bnf型螺母。3.5.2静态安全系数滚珠丝杠副在静止或运动的状态下受到过大的载荷及很大的冲击负载时，会在沟道滚动面和滚珠表面形成永久性变形。（1） 基本额定静负载。在承受到最大应力的接触部位上使滚珠的永久性变形量和沟道滚动面的永久性变形量之和，达到滚珠直径的0.0001倍的方向和大小一定的静止负载叫做基本额定静负载。（2） 静态安全系数。所谓基本额定静负载（coa），一般的作为滚珠丝杠副的容许轴向载荷。根据使用条件在计算载荷时有必要考虑下述的静态安全系数。因为滚珠丝杠副在静止或运动中会承受由于冲击或启动停止而发生惯性力等，想不到的外力作用，要特别注意14。容许轴向载荷基本额定静负载，查得=95.1静态安全系数。查得=3.0=95.1/3.0=31.7=31700n与最大轴向载荷16328.6n比较大，因此许用轴向载荷适合。3.5.3寿命分析（1） 滚珠丝杠副的寿命滚珠丝杠副受外部负载而运动时，沟道滚动面及滚珠会不断地受到循环应力的作用，达到临界值时，滚动面就会产生疲劳破损，表面的一部分会发生鱼鳞状剥落。所谓滚珠丝杠副的寿命指的是滚动面或滚珠其中任一由于材料的滚动疲劳而最初产生表面剥落为止的总会转数15。滚珠丝杠副的寿命具有很大的分散性，即使同批制造的产品，在同样运动条件下使用，寿命也会有很大差别。因此为了确定直线运动系统的寿命，一般使用额定寿命，其定义如下：额定寿命指的是让一批同样的滚珠丝杠副在同一条件下分别运动，其中10%发生表面剥落时达到的总转数。（2） 基本额定动负载ca基本额定负载（ca）用于滚珠丝杠副在受到负载而运动时的寿命计算。基本额定动负载（ca）指是让一批同样的滚珠丝杠副分别运动时，使额定寿命达到l=106的方向与大小不变的负载。（3） 寿命计算平均轴向载荷加速时行走的距离：减速时行走的距离： 等速时行走的距离： 平均轴向负载 故额定寿命： 基本额定动负载。查得=48.3kn承载系数，查表取=1.1寿命时间： 3.5.4刚性检验选为选定条件的刚性的规格，无需检验.3.6定位精度的确定3.6.1定位精度误差的主要因素：定位精度发生误差的主要因素有导程精度、轴向间隙、进给丝杠系的轴向刚性等。其它的重要因素还有发热引起的热变位、导向系引起的运动过程中的姿势变化等16。3.6.2导向精度的确定： 在前边已经选择为精度等级c7，累积导向误差为。3.6.3轴向间隙的确定：轴向间隙虽然不是影响往一方向进给时定位精度的主要因素，但在进给方向逆转或轴向负载逆转情况下产生齿隙。从一个方向运动到另一个方向的位置精度已经选定，因此不需要校核。bnf型轴向间隙为0.15mm。四、热变形对位置精度的影响：丝杠轴的温度在运转过程中上升，导致丝杠轴因热而伸长，从而是其的定位精度降低，假设使用时温度上升518 ，3.7回转扭矩的确定3.7.1外部载荷与回转扭矩3.7.2 加速时所必须的转动惯量转动惯量 j=角加速度： 因此加速时必要的扭距：加速时：tk=t1t2=0.4625.52=25.98 n/m等速时：tt=t1=0.46 n/m减速时：tg= t1t2=0.4625.52=-25.06 n/m4.导轨的受力分析工业机器人己得到广泛应用。由工业机器人与其他设备组成的生产线已经成百倍地提高了企业的劳动生产率，提高了产品质量，大大缩短了产品史新换代的周期。自动装配机器人可以完成典型的装配任务，它的精度要求很高，本次的自动装配机器人设计利用滚珠丝杠和导轨作为传动元件，要保证机器人的装配精度，必须很好的设计导轨。导轨的受力分析如图4.1。图4-1 导轨受力分析图4.1使用条件使用型号：shs（基本额定动载荷： c= 22.3kn ） （基本额定静载荷： c0= 38.4kn）荷重：w1=13317n w2= 16268n 速度：时间：t1=0.05s t2=2.8s t3=0.15s行程：ls=1300mm距离： 重力加速度：4.2滑块作用载荷1. 等速时：径向作用载荷 =7396.25 2.左加速时：径向作用载荷轴向作用载荷：3. 左减速时：径向作用载荷 轴向作用载荷 ：4.右加速时：径向作用载荷：轴向作用载荷：5. 右减速时：径向作用载荷轴向作用载荷： 3. 合成载荷（1）等速时：pe1=pe2=pe3=pe4=p1=7396.25n（2）左行加速时：（3）左行减速时：（4）右行加速时：（5）右行减速时：4. 平均载荷：5. 额定寿命 （）寿命为6. 静安全系数 根据上面的计算，滑块的最大载荷为no.1右行加速时的载荷 5.导轨的刚性设计5.1预压的选定滚动体和导轨面之间预加一定载荷，可增加滚动体和导轨面接触，以减小导轨面平面度，滚子直线度及滚动体直径不一致性误差的影响，使大多数滚动体均能参加工作。由于有预加接触变形，因而提高了导轨的刚度和精度。阻尼性能也有所增加。提高了导轨的抗振性。垂直配置的滚动导轨预加载荷后可预止滚动体在导轨之间下滑成歪斜。预压约为动载荷的1/10，为2230n。5.2考虑预压载荷的寿命5.2.1 预压载荷系数含有预压的作用载荷 ：含有预压的作用载荷 （n）：预压载荷 （n）：载荷系数：“”与“”的比值5.2.2 计算（1） 使用条件：同前， 预压：2230n（2） 各滑块作用合成载荷 （n）表5.1各滑块作用合成载荷动作1234等速时7396.257396.257396.257396.25左行加速时8786.0319595.2519595.258786.03左行减速时11699.117622.997622.9911699.11右行加速时19595.258786.038786.0319595.25右行减速时7622.9911699.1111699.117622.995.2.3 考虑预压时的作用载荷（1）等速时：（2）左加速时：（3）左减速时：（4）右加速时：（5）右减速时：5.2.4 平均荷重： 5.2.5寿命计算寿命为.5.2.6 安全系数滑块的最大载荷为根据以上验算，导轨满足使用要求。结论本文在参考近几年机器人领域取得重大成果的基础上，结合“螺钉自动上料”和“螺钉拧紧机器人”这个课题，对自动装配螺钉机器人进行了机电一体化结构设计、同时，对传动方式和控制系统进行了研究和分析，本论文的研究主要取得了以下成果:1. 对自动组装螺钉机器人采用机械电子学思想进行了总体设计。立足于机电一体化的观点，对机器人的机械结构形式、驱动装置、传动方式等各组成部分进行了较为全面的分析，最后得出自动组装螺钉机器人的总体方案，提出用步进电机驱动，用滚珠丝杠和lm导轨传动力和扭矩。2.根据自动组装螺钉机器人的结构特点，对执行部件的运动方式和特点进行了详细的分析。采用弹簧和扭矩传递器来防止扭矩和力过大，使旋转机构损坏。 3.通过参考国内外的自动送料装置结构，结合自己的一些创新，设计出本机器人的自动送料机构，该机构结构简单，安装方便，成本低，性价比较好。通过以上的工作，从总体结构分析和驱动系统的设计和制造，最终实现了自动装配螺钉机器人的简单、实用的整体设计方案。总结以前的研究工作，认为有必要在以下几个方面进行进一步的研究:(1)提高机器人的操作精度的研究。机器人的操作精度很大程度上依赖于电机驱动精度，如果仅仅依靠采用小步距角的步进电机是不够的。现在步进电机开环控制有许多提当高精度的措施，如细分控制可以达到与闭环不相上下的精度。但是，在机器人中的应用尚有待于进一步的研究。(2)本文提出的自动组装螺钉机器人的整体方案对其它机器人的开发也有借鉴意义，但是尚未形成完整的理论。如果能对机器人设计研究提出一般性的理论原则，必然能对我国机器人的开发具有更大的推动作用，这一问题的研究也需大量的工作。参考文献1 孟威,张伯鹏,赵大泉,徐家球，郑力.螺钉自动抓拿认扣装置的设计j.清华大学学报,2000,(8).2 张效祖.工业机器人的现状与发展趋势j.wmem,2004,(5).3 冯光涛,张伟军，赵锡芳，秦志强.机器人装配操作的规划与控制j.机器人,2001,(1).4 蒋新松.机器人与工业自动化m.河北教育出版社，2003，45 蔡自新.机器人原理及其应用m.中南工业出版社，1988，8 6 李绣峰,刘桂雄,李玩雪,谢存禧.机器人装配作业位置调整技术j.华南理工大学学报(自然科学版),1999,(1).7 马香峰.机器人机构学m.北京，机械工业出版社，1991，9.8 杨化树,曲新峰.工业机器人技术的应用及发展j.黄河水利职业技术学院学报,2004,(4).9 陈一民.工业机器人通用控制器研究开发j.上海大学学报(自然科学版) ，1998，（5）. 10 郑时雄,刘桂雄,阎华,温伟成.机器人视觉在自动装配线中的应用j.光学精密工程,1998,(1).11 费仁元，张彗慧.机器人机械设计和分析m.北京工业大学出版社，1998, 9.12张进平，马若丁.农业机械设计手册（下）.北京：中国农业技术出版社2007：1062-1063.13赵满全,窦卫国,赵世杰,杜文亮.4sw系列马铃薯挖掘机的研制.农村牧区机械化,1999(4):15-16. 14赵满全,窦卫国,赵世杰,杜文亮.机器人研制与开发.内蒙古农业大学学报,2000(2):91-96.15张兴东,朱月玲. 工业机器人造型与虚拟样机关键部件仿真j. 工业机械学报, 2005(11):64-67 .16 li.s.p，meng.y.m，etc. research on the working mechanism and virtual design for a brush shape cleaning element of a sugarcane harvesterj.journal of materials processing technology，129（2002）： 418422.17 “take special precaution to keep robot removal equipment efficientand safe”,cleaning&maintenance management,2001,37(9):17-35致谢通过本次毕业设计，我掌握了机械设计的方法和各方面的要求，同时，熟练掌握了cad制图软件，对以前所学习的机械专业课程得到了很好的巩固。本课题设计的所有工作，从课题的选择、构思、整体结构的分析和研究，到论文的写作等阶段都是在李志红老师和李锦泽老师的悉心指导下完成的。两位老师对工作认真负责，在我做毕业设计的每个阶段，从课题选择到查阅资料，设计草案的确定和修改，中期检查，后期详细设计，装配草图等整个过程中都给予了我很好的建议和指导。我的设计较为复杂烦琐，但是老师仍然细心地纠正图纸中的错误。她们严谨的治学态度、渊博的学术知识、诲人不倦的敬业精神以及宽容的待人风范使我获益颇多。感谢我的指导师，她们的严谨细致、一丝不苟的作风一直是我工作、学习中的榜样；她们循循善诱的教导和不拘一格的思路给予我无尽的启迪。通过四年的专业学